研究背景
鹵化鉛鈣鈦礦量子點（Perovskite quantum dots，PQDs）具有高原子序數，發光效率高、納秒級發光時間等優點，是極具潛力的閃爍體材料。相比于傳統單晶閃爍體，PQDs具有高輻射硬度和低溫合成的優勢，在極端高能射線（高輻射劑量）探測和超快核醫學成像領域具有潛力。近年來，PQDs閃爍體的結構設計和制備方法已取得了較多進展，但是PQDs的自吸收問題仍然嚴重限制了輻射發光亮度，其光產額21,000 photons/MeV遠低于商用CsI(Tl)的54,000 photons/MeV。
關鍵問題
目前，通過主客體結構和離子摻雜可以實現電荷和能量轉移，從而增加PQDs的輻射發光強度，但是增加的輻射發光仍然不足以彌補自吸收光損失，導致光產額的提高并不理想。引入高亮的藍紫光閃爍體如CsI, ZnO(Ga)，PPO，TADF作為外部能量源可以顯著提高CsPbBr3 QDs的輻射發光強度，但是直接物理混合兩相物質僅有少量的接觸位點，能量轉移效率較低；同時兩相物質不易獲得均勻分散，引入的嚴重光散射導致了較差的X射線成像空間分辨率。
X射線成像通常需要百微米級厚度的閃爍體，目前通常在液相中將PQDs和有機聚合物混合獲得厚膜閃爍體，這種工藝容易導致PQDs的團聚，聚集導致的發光淬滅和光散射問題導致了降低的發光效率。另外，ZnS(Ag)閃爍體是微晶粉體形式，難以在液相中制備ZnS(Ag)-CsPbBr3異質結。最近課題組報道了機械化學反應（PMR）在固相條件下制備了PLQY超過90%的CsPbBr3 QDs（Adv. Mater. 2024, 2310521）。由于聚合物豐富的表面特性，PQDs可以分散于聚合物表面，有效地阻止了PQDs的聚集。該方法具有高材料利用率、高合成速率、綠色無溶劑的優勢，且利用聚合物的熱加工特性可以成型PQDs閃爍體。
新思路
針對上述問題，CsPbBr3 QDs閃爍體光產額低、制備工藝兼容性差，鄭州大學楊智、宋繼中等人設計了一種多位點ZnS(Ag)-CsPbBr3異質結，提出了原位固相合成策略制備異質結閃爍體。基于光譜匹配和短D-A距離特性，通過穩態RL光譜進化，瞬態吸收和瞬態PL譜證明了ZnS(Ag)給體到CsPbBr3受體發生了高效的福斯特共振能量轉移（FRET），使得異質結閃爍體獲得了光產額40,000 photons/MeV，明顯高于直接物理混合閃爍體的30,000 photons/MeV，證明了FRET導致的輻射增強可以在一定程度上彌補自吸收光損失。同時，異質結閃爍體具有36 ns的快發光衰減時間，保留了CsPbBr3 QDs的快發光特性；異質結閃爍體實現了高的空間分辨率30 lp/mm, 一方面歸結于提高的光產額和亮度降低了暗噪聲，另一方面歸結于少聚集無機發光體具有弱光散射。
基于高光產額、快發光和高分辨成像的優勢，異質結閃爍體展示了優異的高速動態X-ray成像性能。搭建的動態成像系統可以模擬醫學高速血管造影，在200幀/秒的速度和10 mGyair s?1劑量率下觀察到11 cm/s的碘對比劑液流速度。最后，討論了動態成像和靜態成像對于劑量率不同的需求，闡明了光產額的提高對于動態成像具有更明顯的價值。總之，該工作為設計和制造高性能異質閃爍體提供了新的方案，展示了兼具快和亮的閃爍體在實時X射線成像中的作用。
該研究工作以“Designer bright and fast CsPbBr3 perovskite nanocrystal scintillators for high-speed X-ray imaging”為題在線發表于《Nature Communications》上（Yang et al, Nat. Commun. 2024, 15, 8870）。
圖1. 異質結閃爍體的設計
圖2. 原位固相工藝合成異質結
圖3. 兼具亮和快的異質結閃爍體
圖4. FRET機理證明高效能量轉移
圖5. 動態X射線成像模擬高速血管造影成像
圖6. 靜態和動態成像閃爍體的亮度需求差異
